真空熱處理技術在鍛壓行業的典型應用

文/叢培武·北京機電研究所

真空熱處理技術作為一種先進熱處理生產技術，在我國已有40多年的發展歷史，廣泛應用于各種材料，具有無氧化、表面質量好、變形微小、無污染等諸多優勢。本文著重介紹了真空熱處理技術在鍛壓行業的典型應用，包括H13模具鋼的真空淬火（油淬、高壓氣淬、氣油淬）、20CrMnTi的真空滲碳和10號鋼的薄層真空碳氮共滲。最后，本文提出了真空熱處理技術在鍛壓行業的應用展望。

真空熱處理技術簡介

利用真空熱處理技術處理的產品和零件具有無氧化、無脫碳、脫氣、脫脂、表面質量好、變形微小、綜合力學性能優異的優點。同時真空熱處理設備也具備無污染、無公害、自動化程度高的突出優點，因而真空熱處理技術廣泛應用于各種精密產品零件的生產中?？梢哉f，真空熱處理已成為當前先進熱處理生產技術的主要標志。

我國真空熱處理技術的基礎研究始于20世紀70年代，而后經歷了技術引進、消化吸收和自主開發的過程。20世紀90年代,隨著航空、航天等國防工業和機械制造等行業的迅猛發展,真空熱處理技術和裝備得以推廣。目前我國真空熱處理爐主要產品有真空油淬爐、真空高壓氣淬爐、真空回火爐、真空釬焊爐、真空燒結爐、真空低壓滲碳爐、真空滲氮爐和真空熱處理連續生產線等。

真空熱處理技術廣泛應用于各種材料，包括普通碳鋼、合金鋼、模具鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、鈦合金、磁合金、彈性合金、銅合金及高純鋁箔等。這些材料被廣泛地應用于冶金、機械、化工、電子、汽車、航空航天等行業。對這些材料制品的熱處理，相較于氣氛爐和鹽浴爐，真空熱處理爐具有產品質量好、后續加工少、運行成本低等特點，詳情如表1所示。

真空熱處理技術在鍛壓行業的典型應用

鍛壓是裝備制造業的基礎行業。在機械裝備中，鍛壓產品占比很高，如汽車的幾乎全部關鍵零部件（曲軸、連桿、凸輪軸、半軸、傳動齒輪等），飛機的承載關鍵構件（飛機機體中的框、梁、起落架、接頭等；發動機中的盤、軸、環等），液壓、泵類機械的近一半零部件等。生產這些鍛件的模具以及鍛壓產品，幾乎全部都要經過熱處理。或為了改善材料的成形性能，或為了增強零部件的機械性能及表面質量。真空熱處理作為一種先進的熱處理技術，不僅能為很多優質的鍛壓產品提供質量保證，還能解決傳統熱處理能耗大、污染環境的問題。下面就幾個真空熱處理技術在鍛壓行業的典型應用做詳細介紹。

表1 真空爐與氣氛爐、鹽浴爐對比表

H13模具鋼的真空淬火

H13模具鋼廣泛應用于熱鍛模具、熱擠壓和壓鑄模具。為了獲得光亮的表面和高強、高韌性能，并減小冷卻應力和畸變，對不同尺寸和技術要求的H13模具鋼，往往采用不同的處理工藝：真空油淬、真空高壓氣淬、真空氣油復合淬火。

⑴通用熱處理工藝。

H13模具鋼的通用熱處理工藝為兩次預熱—奧氏體化溫度加熱—淬火—兩次高溫回火，如圖1所示。預熱階段必須緩慢升溫，0～650℃預熱速度應＜220℃/h,650～850℃預熱速度＜165℃/h ；加熱階段，應以盡可能快的速度加熱至奧氏體化溫度1030℃；淬火階段，冷速應＞28℃/min，避免發生珠光體轉變，盡可能減少二次碳化物和貝氏體，并保證形變很小。

⑵不同淬火方式。

1)真空油淬。

真空油淬和真空氣淬相比，可以達到更快的冷卻速度，因而容易獲得表面光亮且高強高韌的性能，所以至今國內大多數模具鋼仍采用油淬技術。對H13模具鋼，有效尺寸＜100mm時，油淬后顯微組織只有馬氏體，基本無二次碳化物析出，具有良好的沖擊韌性。但是，由于冷速過大，也存在畸變大、淬裂風險大的問題。

圖1 H13鋼熱作模具工藝曲線

2)真空高壓氣淬。

為了解決H13模具鋼油淬畸變大而尺寸超差的問題，并實現清潔生產的要求，國內越來越多地采用真空高壓氣淬技術。但是高壓氣淬的冷卻速度受模具尺寸及裝爐量的影響，有可能得到馬氏體＋二次碳化物組織，也有可能得到馬氏體＋二次碳化物＋貝氏體組織。二次碳化物和貝氏體都會使材料的沖擊韌性有所下降，因此在實際生產中應盡可能加大氣淬壓力,提高氣流冷卻速度，避免產生這些不良組織。

3)真空氣油復合淬火。

為了兼顧減少變形和高強高韌的技術要求，H13模具鋼更多地采用先充氣預冷、再油淬的工藝，該工藝能夠滿足大多數模具的熱處理技術要求。除此之外，北京機電研究所研發出采用高溫區（1030℃至540℃）高壓氣淬、低溫區（540℃至室溫）油淬的真空氣油復合淬火工藝，可以得到馬氏體＋二次碳化物＋少量貝氏體組織，模具性能更佳。此工藝是當今H13模具鋼熱處理的新動向。

20CrMnTi鍛造錐齒輪的真空滲碳

20CrMnTi鍛造錐齒輪多用于車輛機械的變速箱，為滿足抗疲勞的性能要求，往往采用真空滲碳技術，下面介紹一個實例。

⑴技術要求。

20CrMnTi鍛造錐齒輪，要求硬化層深1.0～1.4 mm;硬度58～65HRC。

⑵處理工藝。

采用北京機電研究所設計制造的真空低壓滲碳淬火爐，20CrMnTi鍛造錐齒輪的熱處理工藝為預熱—保溫—滲碳—擴散—滲碳—擴散—淬火，如圖2所示。其中，滲碳壓力為2000Pa。

⑶處理結果。

取兩個試樣檢測，測量結果如表2所示，硬化層深度和表面硬度均符合技術要求。

圖2 20CrMnTi鍛造錐齒輪的真空滲碳工藝

表2 試樣檢測結果

真空熱處理技術在鍛壓行業的應用展望

《中國制造2025》提出了“到新中國成立一百年時，把我國建設成為引領世界制造業發展的制造強國”的發展目標。其指導思想為創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本。真空低壓滲碳技術、高壓氣淬技術是熱處理行業綠色化的典型技術，具有節能環保、清潔生產的特點，值得推廣。鍛壓行業正面臨著產業升級，精密鍛壓技術在不斷發展，各種鍛壓產品對精密熱處理的需求日益加強，真空熱處理技術作為精密熱處理的一種手段，能夠有效降低熱應力和組織應力，從而減少畸變。相信真空熱處理技術在鍛壓行業的應用會越來越廣泛，而真空熱處理與鍛壓技術的結合與發展也勢必會大大提升我國先進制造技術的水平。